بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله اثر مدل آشفتگی، روی دقت شبیهسازی عددی جریان سیال حول یک پروانه دریایی که در معرض جریان سیال یکنواخت قرار دارد، بررسی میشود. در این تحقیق از مدل آشفتگی k- استفاده شده است. شبیه سازیها توسط کد عددی تجاری فلوئنت انجام و برای حل عددی جریان حول پروانه از روش شبکهبندی ترکیبی و روش قاب مرجع متحرک استفاده میشود.
ضرایب پیشرانش، گشتاور و راندمان پروانه با روشهای فوق به طور عددی محاسبه شده است. میزان خطای محاسباتی هر کدام از این مقادیر با مقادیر تجربی بر حسب درصد محاسبه شده است. با مقایسه نتایج حاصله، مشاهده شده که نتایج شبیهسازی بسیار نزدیک به مقادیر تجربی می باشد و خطای محاسباتی بسیار کم می باشد.
-1 مقدمه
بمنظور ایجاد نیروی پیشران برای حرکت یک شناور در آب، از انواع سیستمهای رانش دریایی استفاده میشود. در این میان، پروانههای دریایی یکی از پرکاربردترین سیستمهای رانش هستند که به دلیل کاربردهای فراوان، بررسی جریان و استخراج منحنی عملکرد آنها، از دیرباز مورد توجه محققین این حوزه بوده است. امروزه از روش های شبیهسازی جریان در مسایل و پروژههای طراحی استفاده وسیعی میشود و روش حل جریان پتاسیل و حل جریان لزج با استفاده از روشهای دینامیک سیالات محاسباتی از پرکاربردترین آنها به شمار میآیند.
بمنظور پیشبینی جریان حول بدنه کشتی، متعلقات بدنه و پروانه کشتی از دینامیک سیالات محاسباتی میتوان استفاده کرد. تحقیقات زیادی پیرامون طراحی، بررسی جریان و استخراج منحنیهای مشخصه آنها توسط محققین مختلف انجام شده است. برای بررسی جریان حول یک پروانه دریایی، تحقیقات اولیه به وسیله تئوری سطوح برآزا توسط بوزول [1] انجام شده است.
در این تحقیق اثرات زاویه پیچش در طراحی چهار پروانه دریایی بررسی شده و با ثابت گرفتن تمامی پارامترهای طراحی پروانه و تغییر حداکثر زاویه پیچش برای یک ضریب پیشروی و ضریب بار ثابت هندسههای مختلفی به دست آمده است. سپس با ساخت مدلهای آزمایشگاهی و آزمون آنها درتونل حباب زایی منحنی های مشخصه هر پروانه در حالت تک فاز و اعداد مختلف حباب زایی بررسی و گزارش شده است.
کروین [2] با استفاده از تئوری سطوح برآزا جریان پایا و ناپایا حول پروانه دریایی را بررسی کرد و استرکوال [3] از این تئوری برای پیشبینی حبابزایی حول پروانه دریایی استفاده کرد. با پیشرفت روشهای دینامیک سیالات محاسباتی و افزایش بیش از پیش قدرت محاسباتی رایانهها، استفاده از معادلات نویر استوکس متوسط گیری شده توسط رینولدز محبوبیت بیشتری پیدا کرد 4]؛.[13
با وجود پیشرفت چشمگیر روشهای دینامیک سیالات محاسباتی،یک شبیهسازی موفق به عواملی گوناگون از قبیل هندسه صحیح، ابعاد دامنه محاسباتی، مدلسازی فیزیکی، نحوه شبکهبندی دامنه محاسباتی و استراتژی شبکهبندی بستگی دارد. بهمنظور تحقیق در این رابطه موگرت و همکاران [14] با در نظر گرفتن دو هندسه پروانه دریایی اثرات شبکه ساختار یافته چهار وجهی و شبکه بی سازمان سه وجهی ترکیبی را روی پرههای پروانه با استفاده از اندازههای مختلف شبکه بررسی کردند.
در تحقیقی دیگر در زمینه شبیهسازی جریان حول پروانه دریایی، آهن و همکاران [15] با استفاده از شبکه بی سازمان سه وجهی ترکیبی روی یک پروانه دریایی با استفاده از مدل آشفتگی یک معادلهای اسپالارت آلماراس جریان یک فازی سیال حول پروانه را شبیهسازی و تصدیق کردند و برای شبیهسازی اثرات حباب زایی از مدل مرکل استفاده کردند و در شرایط مختلف حبابزایی روی پروانه را مورد بررسی قرار دادند. پس از تصدیق روش و فرآیند استفاده شده، آن را برای شبیهسازی جریان در یک پمپ جت آب استفاده کردند.
باقری و همکاران [16] برای تحلیل هیدرودینامیکی پروانه از مدل آشفتگی k- و الگوریتم کوپل فشار و سرعت سیمپل سی استفاده کردند. با توجه به آنچه گفته شد، میتوان مشاهده کرد که برای شبیه سازی جریان حول یک پروانه دریایی، از روشهای گوناگونی استفاده شده است، ولی به مزایا و معایب احتمالی و مقایسه روشهای استفاده شده در شبیهسازی عددی بهینه کمتر پرداخته شده است. بدین منظور در این تحقیق با انتخاب یک پروانه دریایی که اطلاعات تجربی و شبیهسازیهای عددیقبلاً روی آن انجام گرفته است به بررسی مدل آشفتگی k- پرداخته میشود.
-4 هندسه پروانه و شبکه محاسباتی
با توجه به لزوم وجود دادههای تجربی برای تصدیق شبیهسازی و وجود مشخصات هندسی برای تولید مدل سه بعدی، پروانه دریایی DTMB 4381 برای این تحقیق انتخاب شد که طراحی آن برای استفاده در کشتیهای باری معمولی و ناوشکنهای استفاده کننده از یک پروانه است.[1] به منظور تولید مدل سهبعدی، با توجه به مطالب مربوط به هندسه پروانههای دریایی در[18 ] اقدام به توسعه یک نرم افزار برای تولید ابر نقاط پروانه و در نهایت تولید مدل سه بعدی توسط نرم افزارهای طراحی به کمک نرم افزار راینو میشود. مشخصات هندسی این پروانه در جدول 1 و 2 آمده است.
این عبارتها که مربوط به متغیرهای جریان هستند در معادلات حاکم که میتوانند میانگینگیری زمانی شده باشند، قرار میگیرند. وقتی میانگینمانیِز متغیر جریان استفاده میشود، قواعد معینی وجود دارند که باید از آنها پیروی کرد: میانگین زمانیِ مشخصه جریان نوسانی برابر صفر است. میانگین زمانیِ مشخصه جریان متوسط باز هم همان مشخصه جریان متوسط است. میانگین زمانیِ حاصلضرب دو مشخصه جریان نوسانی تنها در صورتی برابر صفر است که آن دو مشخصه، مشخصههای مستقل باشند.
